微传感器技术-2014磁敏传感器ppt课件

1、第六章 磁敏传感器 第一节第一节 半导体磁敏传感器半导体磁敏传感器 第二节第二节 磁通门式磁敏传感器磁通门式磁敏传感器 第三节第三节 SQUID SQUID磁敏传感器磁敏传感器 ( (超导量子干涉器超导量子干涉器) ) 磁敏传感器是对磁场参量(B,H,)敏感的元器件或安装 ,具有把磁学物理量转换为电信号的功能。 一、霍耳磁敏传感器一、霍耳磁敏传感器 二、磁敏二极管和磁敏三极管二、磁敏二极管和磁敏三极管 三、磁敏电阻三、磁敏电阻 第一节第一节 半导体磁敏传感器半导体磁敏传感器一、霍耳磁敏传感器一、霍耳磁敏传感器 一霍耳效应一霍耳效应 通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将通电的导体或半

2、导体，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的景象。产生电动势的景象。+I+ +lwd霍耳效应原理图VH二霍耳磁敏传感器任务原理二霍耳磁敏传感器任务原理 设霍耳片的长度为l，宽度为w，厚度为d。又设电子以均匀的速度v运动，那么在垂直方向施加的磁感应强度B的作用下，它遭到洛仑兹力q电子电量(1.6210-19C)； v电于运动速度。同时，作用于电子的电场力 qvBfLwqVqEfHHE/wqVqvBH/当到达动态平衡时dnqvwdjwIdnqwIv/pqdIBVH/霍耳电势VH与 I、B的乘积成正比，而与d成反比。于是可改写成： dIBRVHHHR电流密度j=nqvnN型半导体中的电子浓度N型半

3、导体P型半导体 霍耳系数，由载流资料物理性质决议。资料电阻率pP型半导体中的孔穴浓度型）（型）（PqpRNqnRHH11载流子迁移率,=v/E,即单位电场强度作用下载流子的平均速度。金属资料，电子金属资料，电子很高但很高但很小，绝缘资料，很小，绝缘资料，很高但很高但很小。很小。故为获得较强霍耳效应，霍耳片全部采用半导体资料制成。故为获得较强霍耳效应，霍耳片全部采用半导体资料制成。设 KH=RH / d KH霍耳器件的乘积灵敏度。它与载流资料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时霍耳电势的大小。假设磁感应强度B的方向与霍耳器件的平面法线夹角为时，霍耳电势应为： VH KH

4、 I B VH KH I B cos 留意：当控制电流的方向或磁场方向改动时，输出霍留意：当控制电流的方向或磁场方向改动时，输出霍耳电势的方向也改动。但当磁场与电流同时改动方向耳电势的方向也改动。但当磁场与电流同时改动方向时，霍耳电势并不改动方向。时，霍耳电势并不改动方向。霍耳器件片a)实践构造(mm)；(b)简化构造；(c)等效电路外形尺寸:6.43.10.2;有效尺寸：5.42.70.2三霍耳磁敏传感器霍耳器件三霍耳磁敏传感器霍耳器件dslb2.15.42.7AB0.20.50.3CDaw电流极霍耳电极R4ABCDR1R2R3R4cHall效应磁场传感器Hall效应磁场传感器件HallBK

5、UHallResistiveUUU定标：标定K调零：UResistive温度补偿曾经到达商品化UEB霍耳输出端的端子C、D相应地称为霍耳端或输出端。假设霍耳端子间衔接负载,称为霍耳负载电阻或霍耳负载。电流电极间的电阻，称为输入电阻，或者控制内阻。霍耳端子间的电阻，称为输出电阻或霍耳侧内部电阻。 器件电流(控制电流或输入电流):流入到器件内的电流。电流端子A、B相应地称为器件电流端、控制电流端或输入电流端。H图2.6-4 霍耳器件符号AAABBBCCCDDD关于霍耳器件符号，称号及型号，国内外尚无一致规定，为表达方便起见，暂规定以下称号的符号。 控制电流I；霍耳电势VH；控制电压V；输出电阻R2

6、；输入电阻R1；霍耳负载电阻R3；霍耳电流IH。 图中控制电流I由电源E供应,R为调理电阻,保证器件内所需控制电流I。霍耳输出端接负载R3,R3可是普通电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场B垂直经过霍耳器件,在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。VHR3VBIEIH霍耳器件的根本电路R实践运用时,器件输入信号可以是I或B，或者IB,而输出可以正比于I或B, 或者正比于其乘积IB。IKBIdRVIHHVKVRKBVdRRVVHH1111上两式是霍耳器件中的根本公式。即：输入电流或输入电压和霍耳输出电势完全呈线性关系。假设输入电流或电压中任一项固定时，磁感应强度和输出电势之间也完全呈线性

7、关系。同样，假设给出控制电压V，由于V=R1I，可得控制电压和霍耳电势的关系式设霍耳片厚度d均匀，电流I和霍耳电场的方向分别平行于长、短边境，那么控制电流I和霍耳电势VH的关系式四、根本特性四、根本特性 1、直线性：指霍耳器件的输出电势VH分别和根本参数I、V、B之间呈线性关系。VH=KHBI 2、灵敏度：可以用乘积灵敏度或磁场灵敏度以及电流灵敏度、电势灵敏度表示：KH乘积灵敏度，表示霍耳电势VH与磁感应强度B和控制电流I乘积之间的比值，通常以mV/(mA0.1T)。由于霍耳元件的输出电压要由两个输入量的乘积来确定,故称为乘积灵敏度。KB磁场灵敏度，通常以额定电流为规范。磁场灵敏度等于霍耳元件

8、通以额定电流时每单位磁感应强度对应的霍耳电势值。常用于磁场丈量等情况。 KI电流灵敏度，电流灵敏度等于霍耳元件在单位磁感应强度下电流对应的霍耳电势值。假设控制电流值固定，那么：VHKBB假设磁场值固定，那么：VHKI I3、额定电流：霍耳元件的允许温升规定着一个最大控制电流。4、最大输出功率 在霍耳电极间接入负载后，元件的功率输出与负载的大小有关，当霍耳电极间的内阻R2等于霍耳负载电阻R3时，霍耳输出功率为最大。 22max4/ RVPHO5、最大效率 霍耳器件的输出与输入功率之比，称为效率，和最大输出对应的效率，称为最大效率，即：1222maxmax4/RIRVPPHinO6、负载特性 当霍

9、耳电极间串接有负载时，由于流过霍耳电流，在其内阻上将产生压降，故实践霍耳电势比实际值小。由于霍耳电极间内阻和磁阻效应的影响，霍耳电势和磁感应强度之间便失去了线性关系。如下图。 8060402000.20.40.60.81.0VH/mV=7.0=1.5=3.0B/T实际值实际值实践值实践值VHR3I霍耳电势的负载特性=R3/R2 霍耳电势随负载电阻值而改动的情况7、温度特性：指霍耳电势或灵敏度的温度特性，以及输入阻抗和输出阻抗的温度特性。它们可归结为霍耳系数和电阻率或电导率与温度的关系。霍耳资料的温度特征霍耳资料的温度特征aRH与温度的关系；与温度的关系；b与温度与温度的关系的关系RH/cm2/

10、A-1250200150100504080120160200LnSbLnAsT/0246/710-3cmLnAs20015010050LnSbT/0双重影响：元件电阻，采用恒流供电；载流子迁移率，双重影响：元件电阻，采用恒流供电；载流子迁移率，影响灵敏度。二者相反。影响灵敏度。二者相反。8、频率特性磁场恒定，而经过传感器的电流是交变的。器件的频率特性很好，到10kHz时交流输出还与直流情况一样。因此,霍耳器件可用于微波范围,其输出不受频率影响。 磁场交变。霍耳输出不仅与频率有关，而且还与器件的电导率、周围介质的磁导率及磁路参数(特别是气隙宽度)等有关。这是由于在交变磁场作用下，元件与导体一样会

11、在其内部产生涡流的缘故。 总之，在交变磁场下，当频率为数十kHz时，可以不思索频率对器件输出的影响，即使在数MHz时，假设能仔细设计气隙宽度，选用适宜的元件和导磁资料，依然可以保证器件有良好的频率特性的。 霍耳开关集成传感器是利用霍耳效应与集成电路技术结合而制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的物理量，并以开关信号方式输出。霍耳开关集成传感器具有运用寿命长、无触点磨损、无火花干扰、无转换抖动、任务频率高、温度特性好、能顺应恶劣环境等优点。五五 霍耳开关集成传感器霍耳开关集成传感器由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。 稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内任务

12、；开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。 1 1霍耳开关集成传感器的构造及任务原理霍耳开关集成传感器的构造及任务原理霍耳开关集成传感器内部构造框图23输出+稳压VCC1霍耳元件放大BT整形地H 3020T输出输出VoutR=2k+12V123b运用电路运用电路 a外型外型 霍耳开关集成传感器的外型及运用电路霍耳开关集成传感器的外型及运用电路1232 2霍耳开关集成传感器的任务特性曲线霍耳开关集成传感器的任务特性曲线 从任务特性曲线上可以看出，任务特性有一从任务特性曲线上可以看出，任务特性有一定的磁滞定的磁滞BHBH，这对开关动作的可靠性非常有利。，这对开关动作的可靠性非常有利。 图中的图

13、中的BOPBOP为任务点为任务点“开的磁感应强度，开的磁感应强度，BRPBRP为释放点为释放点“关的磁感应强度。关的磁感应强度。霍耳开关集成传感器的任务特性曲线霍耳开关集成传感器的任务特性曲线VOUT/V12ONOFFBRPB OPBHB霍耳开关集成传感器的技术参数： 任务电压 、磁感应强度、输出截止电压、 输出导通电流、任务温度、任务点。0 该曲线反映了外加磁场与传感器输出电平的关系。当外加磁感强度高于BOP时，输出电平由高变低，传感器处于开形状。当外加磁感强度低于BRP时，输出电平由低变高，传感器处于关形状。 3 3霍耳开关集成传感器的运用霍耳开关集成传感器的运用 1 1霍耳开关集成传感器

14、的接口电路霍耳开关集成传感器的接口电路RLV ACVccVccVACVccVACKVccKVccVACVccMOSVOUTVAC霍耳开关集成传感器的普通接口电路霍耳开关集成传感器的普通接口电路VACRL磁铁轴心接近式 在磁铁的轴心方向垂直于传感器并同传感器轴心重合的条件下，霍耳开关集成传感器的L1-B关系曲线NSAlNiCo 磁铁6.4320.100.080.060.040.0202.557.51012.51517.520间隔L1/mmB/TL1随磁铁与传感器的间隔间隔的添加,作用在传感器外表的磁感强度衰减很快。当磁铁向传感器接近到一定位置时,传感器开关接通,而磁铁移开到一定间隔时开关关断。运

15、用时,假设磁铁已选定,那么应按详细的运用场所,对作用间隔作适宜的选择。 2给传感器施加磁场的方式 磁铁侧向滑近式 要求磁铁平面与传感器平面的间隔不变，而磁铁的轴线与传感器的平面垂直。磁铁以滑近挪动的方式在传感器前方经过。霍耳开关集成传感器的霍耳开关集成传感器的L2-B关系曲线关系曲线0.100.080.060.040.0202.557.51012.51517.520B/TNS空隙空隙2.05AlNiCo 磁铁磁铁6.432L2间隔间隔L2/mm1霍耳线性集成传感器的构造及任务原理 霍耳线性集成传感器的输出电压与外加磁场成线性比例关系。这类传感器普通由霍耳元件和放大器组成，当外加磁场时,霍耳元件

16、产生与磁场成线性比例变化的霍耳电压,经放大器放大后输出。在实践电路设计中，为了提高传感器的性能，往往在电路中设置稳压、电流放大输出级、失调调整和线性度调整等电路。霍耳开关集成传感器的输出有低电平或高电平两种形状，而霍耳线性集成传感器的输出却是对外加磁场的线性感应。因此霍耳线性集成传感器广泛用于位置、力、分量、厚度、速度、磁场、电流等的丈量或控制。霍耳线性集成传感器有单端输出和双端输出两种，其电路构造如以下图。六霍耳线性集成传感器六霍耳线性集成传感器单端输出传感器的电路构造框图23输出+稳压VCC1霍耳元件放大地H稳压H3VCC地4输出输出18675 双端输出传感器的电路构造框图 单端输出的传感

17、器是一个三端器件，它的输出电压对外加磁场的微小变化能做出线性呼应，通常将输出电压用电容交连到外接放大器，将输出电压放大到较高的电平。其典型产品是SL3501T。 双端输出的传感器是一个8脚双列直插封装的器件，它可提供差动射极跟随输出，还可提供输出失调调零。其典型产品是SL3501M。2 2霍耳线性集成传感器的主要技术特性霍耳线性集成传感器的主要技术特性(1)(1) 传感器的输出特性如以下图：传感器的输出特性如以下图： 磁感应强度B/T5.64.63.62.61.6-0.3-0.3 -0.2-0.2-0.1-0.100.10.20.3输输出出电电压压U/VSL3501T传感器的输出特性曲线2 2

18、霍耳线性集成传感器的主要技术特性霍耳线性集成传感器的主要技术特性(2)(2) 传感器的输出特性如以下图：传感器的输出特性如以下图： 2.52.01.51.00.50.040.040.080.120.16 0.200.24输输出出电电压压U/V磁感应强度磁感应强度B/TSL3501M传感器的输出特性曲线00.28 0.32R=0R=15R=100 七霍耳磁敏传感器的运用七霍耳磁敏传感器的运用 利用霍耳效应制造的霍耳器件，不仅利用霍耳效应制造的霍耳器件，不仅在磁场丈量方面，而且在丈量技术、无线电在磁场丈量方面，而且在丈量技术、无线电技术、计算技术和自动化技术等领域中均得技术、计算技术和自动化技术等

19、领域中均得到了广泛运用。到了广泛运用。 利用霍耳电势与外加磁通密度成比例的利用霍耳电势与外加磁通密度成比例的特性，可借助于固定元件的控制电流，对磁特性，可借助于固定元件的控制电流，对磁量以及其他可转换成磁量的电量、机械量和量以及其他可转换成磁量的电量、机械量和非电量等进展丈量和控制。运用这类特性制非电量等进展丈量和控制。运用这类特性制造的器具有磁通计、电流计、磁读头、位移造的器具有磁通计、电流计、磁读头、位移计、速度计、振动计、罗盘、转速计、无触计、速度计、振动计、罗盘、转速计、无触点开关等。点开关等。 利用霍耳传感器制造的仪器优点： (1) 体积小，构造简单、巩固耐用。 (2)无可动部件，无

20、磨损，无摩擦热，噪声小。 (3)安装性能稳定，寿命长，可靠性高。 (4)频率范围宽，从直流到微波范围均可运用。 (5)霍耳器件载流子惯性小，安装动态特性好。 霍耳器件也存在转换效率低和受温度影响大等明显缺陷。但是，由于新资料新工艺不断出现，这些缺陷正逐渐得到抑制。21资料温度(K)RHInSb78460.0527110InAs787.50.0096506.8Si78150.05070410410410310310310310310表表2.6-2 几种导体资料在低温下的性能几种导体资料在低温下的性能 二、磁敏二极管和磁敏三极管 磁敏二极管、三极管是继霍耳元件和磁敏电阻之后迅速开展起来的新型磁电转

21、换元件。它们具有磁灵敏度高磁灵敏度比霍耳元件高数百甚至数千倍；能识别磁场的极性；体积小、电路简单等特点，因此正日益得到注重；并在检测、控制等方面得到普遍运用。 一磁敏二极管的任务原理和主要特性一磁敏二极管的任务原理和主要特性 1磁敏二极管的构造与任务原理磁敏二极管的构造与任务原理 1磁敏二极管的构造 有硅磁敏二级管和锗磁敏二级管两种。与普通二极管区别：普通二极管PN结的基区很短，以防止载流子在基区里复合，磁敏二级管的PN结却有很长的基区，大于载流子的分散长度，但基区是由接近本征半导体的高阻资料构成的。普通锗磁敏二级管用=40cm左右的P型或N型单晶做基区(锗本征半导体的=50cm)，在它的两端

22、有P型和N型锗，并引出，假设代表长基区，那么其PN结实践上是由P结和N结共同组成。以2ACM1A为例，磁敏二级管的构造是P+iN+型。+b磁敏二极管的构造和电路符号(a)构造; (b)电路符号H+H-N+区p+区i区r区电流a在高纯度锗半导体的两端用合金法制成高掺杂的P型和N型两个区域，并在本征区i区的一个侧面上，设置高复合区(r区)，而与r区相对的另一侧面，坚持为光滑无复合外表。这就构成了磁敏二极管的管芯，其构造如图。PNPNPNH=0H+H-电流电流电流abc磁敏二极管的任务原理表示图流过二极管的电流也在变化，也就是说二极管等效电阻随着磁场的不同而不同。 为什么磁敏二极管会有这种特性呢?下

23、面作一下分析。 2磁敏二极管的任务原理 当磁敏二极管的P区接电源正极，N区接电源负极即外加正偏压时，随着磁敏二极管所受磁场的变化，iii电子空穴复合区结论：随着磁场大小和方向的变化，可产生结论：随着磁场大小和方向的变化，可产生正负输出电压的变化、特别是在较弱的磁场正负输出电压的变化、特别是在较弱的磁场作用下，可获得较大输出电压。假设作用下，可获得较大输出电压。假设r区和区和r区之外的复合才干之差越大，那么磁敏二极区之外的复合才干之差越大，那么磁敏二极管的灵敏度就越高。管的灵敏度就越高。 磁敏二极管反向偏置时，那么在磁敏二极管反向偏置时，那么在 r区仅区仅流过很微小的电流，显得几乎与磁场无关。流

24、过很微小的电流，显得几乎与磁场无关。因此二极管两端电压不会因遭到磁场作用而因此二极管两端电压不会因遭到磁场作用而有任何改动。有任何改动。 2磁敏二极管的主要特征1伏安特性 在给定磁场情况下，磁敏二极管两端正向偏压和经过它的电流的关系曲线。-0.2213579U/VI/mA00.2T0.15T0.1T0.05T-0.05Ta531I/mA46810U/V -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.30.4b531I/mA481216U/V-0.1 00.10.40.30.2-0.3c图2.6-29 磁敏二极管伏安特性曲线a锗磁敏二极管b、c硅二极管-0.1T-0.15T-0.2T00

25、0 由图可见硅磁敏二极管的伏安特性有两种方式。一种如图2.6-29b所示，开场在较大偏压范围内，电流变化比较平坦，随外加偏压的添加，电流逐渐添加；以后，伏安特性曲线上升很快，表现出其动态电阻比较小。另一种如图2.6-29(c)所示。硅磁敏二极管的伏安特性曲线上有负阻景象，即电流急增的同时，有偏压忽然跌落的景象。 产生负阻景象的缘由是高阻硅的热平衡载流子较少，且注入的载流子未填满复合中心之前，不会产生较大的电流，当填满复合中心之后，电流才开场急增之故。 2磁电特性 在给定条件下，磁敏二极管的输出电压变化量与外加磁场间的变化关系，叫做磁敏二极管的磁电特性。 图2.6-30 磁敏二极管的磁电特性曲线

26、a单个运用时b互补运用时B / 0.1T1.0 2.0 3.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.0B / 0.1T2.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.01.0 3kREE=12V18VTd=20abU/VU/V 图2.6-30给出磁敏二极管单个运用和互补运用时的磁电特性曲线。 3温度特性 温度特性是指在规范测试条件下，输出电压变化量 或无磁场作用时中点电压 随温度变化的规律，如下图。 muuU/VT/020400.20.40.60.81.0E=6VB = 0.1T8060-20I/mA-5-

27、4-3-2-1I图2.6-31 磁敏二极管温度特性曲线(单个运用时)U由图可见，磁敏二极管受温度的影响较大。反映磁敏二极管的温度特性好坏，也可用温度系数来表示。硅磁敏二极管在规范测试条件下，u0的温度系数小于20mV， 的温度系数小于0.6%/。而锗磁敏二极管u0的温度系数小于-60mV， 的温度系数小于1.5%/。所以，规定硅管的运用温度为-4085，而锗管那么现定为-4065。 uu4频率特性 硅磁敏二极管的呼应时间，几乎等于注入载流子漂移过程中被复合并到达动态平衡的时间。所以，频率呼应时间与载流子的有效寿命相当。硅管的呼应时间小于1 ，即呼应频率高达1MHz。锗磁敏二极管的呼应频率小于1

28、0kHz。sdB0.1-12-9-6-3 01010.01图2.6-32 锗磁敏三极管频率特性f/kHz%10000uuuhBu%10000IIIhBi(2.6-26)(2.6-27)5磁灵敏度 磁敏二极管的磁灵敏度有三种定义方法：a 在恒流条件下，偏压随磁场而变化的电压相对磁灵敏度hu，即： u 0磁场强度为零时，二极管两端的电压； u B磁场强度为B时，二极管两端的电压。 (b)在恒压条件下，偏流随磁场变化的电流相对磁灵敏度hi，即： (c) 在给定电压源E和负载电阻R的条件下，电压相对磁灵敏度和电流相对磁灵敏度定义如下： 应特别留意，假设运用磁敏二极管时的情况和元件出厂的测试条件不一致时

29、，应重新测试其灵敏度。 %10000uuuhBRu%10000IIIhBRI二磁敏三极管的任务原理和主要特性二磁敏三极管的任务原理和主要特性 1磁敏三极管的构造与原理磁敏三极管的构造与原理 1磁敏三极管的构造 NPN型磁敏三极管是在弱P型近本征半导体上，用合金法或分散法构成三个结即发射结、基极结、集电结所构成的半导体元图2.6-33 NPN型磁敏三极管的构造和符号a)构造 b)符号rN+N+ceH-H+P+bcebab件,如图。在长基区的侧面制成一个复合速率很高的高复合区r。长基区分为输运基区和复合基区两部。i2 2磁敏三极管的任务原理磁敏三极管的任务原理N+N+N+cccyyyeeerrrx

30、xxP+P+P+bbbN+N+N+abc图2.6-34 磁敏三极管任务原理表示图(a)H=0; (b)H=H+;(c)H=H-1-运输基区；2-复合基区12当不受磁场作用如图2.6-34(a)时，由于磁敏三极管的基区宽度大于载流子有效分散长度，因此注入的载流子除少部分输入到集电极c外，大部分经过eib而构成基极电流。显而易见，基极电流大于集电极电流。所以，电流放大系数 =IcIb1。 当遭到H磁场作用如图2.6-34b时，由于洛仑兹力作用，载流子向发射结一侧偏转，从而使集电极电流明显下降。 当受 磁场运用如图2.6-34(c)时，载流子在洛仑兹力作用下，向集电结一侧偏转，使集电极电流增大。 H

31、/b=5mAIb=4mAIb=3mAIb=2mAIb=1mAIb=0mAIC1.00.80.60.40.20246810VCE/V/mAVCE/VIb=3mA B-=0.1TIb=3mA B=0Ib=3mA B+=0.1T2468101.00.80.60.40.20IC/mA图2.6-35 磁敏三极管伏安特性曲线2 2磁敏三极管的主要特性磁敏三极管的主要特性 1 1伏安特性伏安特性 图图2.6-35(b)2.6-35(b)给出了磁敏三极管给出了磁敏三极管在基极恒流条件下在基极恒流条件下Ib=3mAIb=3mA、磁场为、磁场为0.1T0.1T时时的集电极电流的变化；图的集电极电流的变化；图2.6

32、-35(a)2.6-35(a)那么为不受磁那么为不受磁场作用时磁敏三极管的伏安特性曲线。场作用时磁敏三极管的伏安特性曲线。2磁电特性 磁电特性是磁敏三极管最重要的任务特性。3BCMNPN型锗磁敏三极管的磁电特性曲线如图2.6-36所示。B/0.1TIc/mA0.50.40.30.20.115234-1-2-3图2.6-36 3BCM磁敏三极管电磁特性由图可见，在弱磁场作用时，曲线近似于一条直线。 (3)温度特性 磁敏三极管对温度也是敏感的。3ACM、3BCM磁敏三极管的温度系数为0.8；3CCM磁敏三极管的温度系数为-0 .6。 3BCM的温度特性曲线如图2 .6-37所示。 图2.6-37

33、3BCM磁敏三极管的温度特性(a)基极电源恒压 (b)基极恒流 (a)-20020401.20.80.4 1.660B=0B=0.1TB=0.1TT/基极电源恒压Vb=5.7VIC/mA基极恒流Ib=2mAB=01.20.80.4-20020401.680B=0.1TB=0.1TT/ (b)IC/mA 温度系数有两种：一种是静态集电极电流Ic0的温度系数；一种是磁灵敏度 的温度系数。 在运用温度t1 t2范围 Ic0的改动量与常温比如25时的Ic0之比，平均每度的相对变化量被定义为Ic0的温度系数 Ic0CT，即： 同样，在运用温度t1t2范围内， 的改动量与25时的 值之比，平均每度的相对变

34、化量被定义为 的温度系数 ：hhhh(2.6-30) %10025)(12010200ttCItItIIcccCTc %100)25(1212ttChththhCTCTh 对于3BCM磁敏三极管，当采用补偿措施时，其正向灵敏度受温度影响不大。而负向灵敏度受温度影响比较大，主要表现为有相当大一部分器件存在着一个无灵敏度的温度点，这个点的位置由所加基流无磁场作用时Ib0的大小决议。当Ib04mA时，此无灵敏度温度点处于+40左右。 当温度超越此点时，负向灵敏度也变为正向灵敏度，即不论对正、负向磁场，集电极电流都发生同样性量变化。 因此，减小基极电流，无灵敏度的温度点将向较高温度方向挪动。当Ib0=

35、2mA时，此温度点可达50左右。但另一方面，假设Ib0过小，那么会影响磁灵敏度。所以，当需求同时运用正负灵敏度时，温度要选在无灵敏度温度点以下。 5磁灵敏度 磁敏三极管的磁灵敏度有正向灵敏度 和负向灵敏度 两种。其定义如下： 式中 受正向磁场B+作用时的集电极电流； 受反向磁场B-作用时的集电极电流； 不受磁场作用时，在给定基流情况下的集电极输出电流。hhTIIIhcccB1 . 0/%10000cBIcBI0cI4频率特性 3BCM锗磁敏三极管对于交变磁场的频率呼应特性为10kHz。 (2.6-32)三磁敏二极管和磁敏三极管的运用三磁敏二极管和磁敏三极管的运用 由于磁敏管有效高的磁灵敏度，体

36、积由于磁敏管有效高的磁灵敏度，体积和功耗都很小，且能识别磁极性等优点，和功耗都很小，且能识别磁极性等优点，是一种新型半导体磁敏元件，它有着广泛是一种新型半导体磁敏元件，它有着广泛的运用前景。的运用前景。 利用磁敏管可以作成磁场探测仪器利用磁敏管可以作成磁场探测仪器如高斯计、漏磁丈量仪、地磁丈量仪等。如高斯计、漏磁丈量仪、地磁丈量仪等。用磁敏管作成的磁场探测仪，可丈量用磁敏管作成的磁场探测仪，可丈量10-7T左右的弱磁场。左右的弱磁场。根据通电导线周围具有磁场，而磁场的强根据通电导线周围具有磁场，而磁场的强弱又取决于通电导线中电流大小的原理，弱又取决于通电导线中电流大小的原理，因此可利用磁敏管采

37、用非接触方法来丈量因此可利用磁敏管采用非接触方法来丈量导线中电流。而用这种安装来检测磁场还导线中电流。而用这种安装来检测磁场还可确定导线中电流值大小，既平安又省电，可确定导线中电流值大小，既平安又省电，因此是一种备受欢迎的电流表。因此是一种备受欢迎的电流表。 此外此外,利用磁敏管还可制成转速传感器利用磁敏管还可制成转速传感器(能能测高达每分钟数万转的转速测高达每分钟数万转的转速),无触点电位无触点电位器和漏磁探伤仪等。器和漏磁探伤仪等。四、常用磁敏管的型号和参数四、常用磁敏管的型号和参数 3BCM型锗磁敏三极管参数表型锗磁敏三极管参数表%10000ccBcIIIh参 数单位测试条件规范ABCD

38、E磁灵敏度%Ec=6V,RL=100,Ib=2mA,B= 0.1T51010151520202525击穿电压BUccoVIc=1.5mA2020252525漏电流Icc0Vcs=6A200200200200200最大基极电流mAEc=6VRL=5k4功耗PcmmW 45运用温度 -4065最高温度 75mA3CCM型硅磁敏三极管参数表型硅磁敏三极管参数表 A%10000ccBcIIIh参数单 位测试条件规范磁灵敏度%Ec=6VIb=3mAB= 0.1T5%击穿电压BUccoVIc=1020V漏电流Icc0Ice=6A5功耗mW 20mW运用温度 -4085最高温度 100温度系数%/ -0.1

39、0-0.25%/A三、磁敏电阻三、磁敏电阻 是一种电阻随磁场变化而变化的磁敏是一种电阻随磁场变化而变化的磁敏元件，也称元件，也称MR元件。它的实际根底为磁元件。它的实际根底为磁阻效应。阻效应。一一 磁阻效应磁阻效应 假设给通以电流的金属或半导体资假设给通以电流的金属或半导体资料的薄片加以与电流垂直或平行的外磁场，料的薄片加以与电流垂直或平行的外磁场，那么其电阻值就添加。称此种景象为磁致那么其电阻值就添加。称此种景象为磁致电阻变化效应，简称为磁阻效应。电阻变化效应，简称为磁阻效应。 在磁场中，电流的流动途径会因磁场的作用而加长，使得资料的电阻率添加。假设某种金属或半导体资料的两种载流子 (电子和

40、空穴 )的迁移率非常悬殊，主要由迁移率较大的一种载流子引起电阻率变化 ,它可表示为：22000273. 0B为磁感应强度；资料在磁感应强度为时的电阻率；0 资料在磁感应强度为0时的电阻率；载流子的迁移率。 当资料中仅存在一种载流子时磁阻效应几乎可以忽略，此时霍耳效应更为剧烈。假设在电子和空穴都存在的资料如InSb中，那么磁阻效应很强。 磁阻效应还与样品的外形、尺寸亲密相关。这种与样品外形、尺寸有关的磁阻效应称为磁阻效应的几何磁阻效应。 长方形磁阻器件只需在L(长度)W宽度的条件下，才表现出较高的灵敏度。把LW长方形磁阻资料上面制造许多平行等间距的金属条即短路栅格，以短路霍耳电势，这种栅格磁阻器

41、件如图2.6-38b所示，就相当于许多扁条状磁阻串联。所以栅格磁阻器件既添加了零磁场电阻值、又提高了磁LWBB图2.6-38 几何磁阻效应IIab阻器件的灵敏度。 常用的磁阻元件有半导体磁阻元件和强磁磁阻元件。其内部有制形成半桥或全桥等多种方式。1 灵敏度特性 磁阻元件的灵敏度特性是用在一定磁场强度下的电阻变化率来表示，即磁场电阻特性的斜率。常用K表示，单位为mV/mA.kG即.Kg。在运算时常用RB/R0求得，R0表示无磁场情况下，磁阻元件的电阻值，RB为在施加0.3T磁感应强度时磁阻元件表现出来的电阻值，这种情况下，普通磁阻元件的灵敏度大于2.7。 二二 磁阻元件的主要特性磁阻元件的主要特

42、性2 磁场电阻特性 磁阻元件磁场电阻特性N级0.30.20.100.10.2 0.3R/1000500S级(a) S、N级之间电阻特性B/T15RBR0105温度(25)弱磁场下呈平方特性变化强场下呈直线特性变化0(b)电阻变化率特性0.2 0.40.6 0.81.0 1.21.4B/T磁阻元件的电阻值与磁场的极性无关，它只随磁场强度的添加而添加在0.1T以下的弱磁场中，曲线呈现平方特性，而超越0.1T后呈现线性变化图2.6-40 强磁磁阻元件电阻-磁场特性曲线输出电压V磁饱和点B=Bs0(b)磁场输出特性H 图2.6-40显示的是强磁磁阻元件的磁场电阻特性曲线。 从图中可以看出它与图2.6-

43、39a曲线相反，即随着磁场的添加，电阻值减少。并且在磁通密度达数十到数百高斯即饱和。普通电阻变化为百分之几。 3 电阻温度特性 图2.6-41是普通半导体磁阻元件的电阻温度特性曲线，从图中可以看出，半导体磁阻元件10384210242106-4002060100温度/电阻变化率%图2.6-41 半导体元件电阻-温度特性曲线的温度特性不好。图中的电阻值在35的变化范围内减小了1/2。因此，在运用时，普通都要设计温度补偿电路。图2.6-42是强磁磁阻元件的电阻温度特性曲线，图中给出了采用恒流、恒压供电方式时的温度特性。13010050电阻变化率%-30BX10-4/T电阻+3500ppm/0 输出

44、(恒流任务) -500ppm/ 输出(恒压任务) -300ppm/图2.6-42 强磁阻元件电阻-磁场特性曲线 可以看出，采用恒压供电时，可以获得500ppm/的良好温度特性，而采用恒流供电时却高达3500 ppm/。但是由于强磁磁阻元件为开关方式任务，因此常用恒压方式。60 磁通门式磁敏传感器又称为磁饱和式磁敏传感器。 利用某些高导磁率的软磁性资料如坡莫合金作磁芯，以其在交变磁场作用下的磁饱和特性及法拉第电磁感应原理研制成的测磁安装。第二节第二节 磁通门式磁敏传感器磁通门式磁敏传感器最大特点：适宜在零磁场附近任务的弱磁场进展丈量。最大特点：适宜在零磁场附近任务的弱磁场进展丈量。传感器可作成体

45、积小，分量轻、功耗低，既可测纵向向传感器可作成体积小，分量轻、功耗低，既可测纵向向量量T、垂直向量、垂直向量Z，也可测，也可测T、Z，不受磁场梯度影响，不受磁场梯度影响，丈量的灵敏度可达丈量的灵敏度可达0.01nT，且可和磁秤混合运用组成磁，且可和磁秤混合运用组成磁测仪器。测仪器。运用：航空、地面、测井等方面的磁法勘探，在军事上，运用：航空、地面、测井等方面的磁法勘探，在军事上，也可用于寻觅地下武器炮弹、地雷等和反潜。还可也可用于寻觅地下武器炮弹、地雷等和反潜。还可用于预告天然地震及空间磁测等。用于预告天然地震及空间磁测等。一、磁通门式磁敏传感器的物理根底一、磁通门式磁敏传感器的物理根底磁饱和

46、景象饱和磁感应强度Bs饱和磁场强度Hs 一磁滞回线和磁饱和景象一磁滞回线和磁饱和景象BAHsHcFBr-HcE-BrDC静态磁滞回线表示图BsHOB磁滞景象：磁感应强度的变化滞后于磁场H的变化最大剩磁BrBr, Bs，Hs及矫顽力Hc是磁性资料的四个重要参数。磁通门传感器运用软磁性资料。动态导磁率dHdBd定义：物体在磁场中被磁化后，在磁化方向上会产生伸长或缩短景象。几种磁性资料的伸缩系数3020100-10-20-30l/lFeCoNi010203040 H/10-4T45 坡莫合金二磁致伸缩景象二磁致伸缩景象饱和磁致伸缩系数lls内容：不论何种缘由使经过一回路所包围面积内的磁通量发生变化时

47、，回路上产生的感应电动势E与磁通随时间t的变化率的负值成正比。dtdkE三法拉第电磁感应定律三法拉第电磁感应定律式中 k比例系数。 圆形磁芯跑道形磁芯长方形磁芯闭合式磁芯长条形双磁芯长条形单磁芯非闭合式磁芯磁芯从这几种磁芯的性能来说，以圆形较好，跑道形次之。在磁场的分量丈量中，用跑道形磁芯较多。磁通门传感器的磁芯几何外形二、磁通门式磁敏传感器的二次谐波法测磁原理二、磁通门式磁敏传感器的二次谐波法测磁原理双磁芯磁通门探头双磁芯探头任务原理 双磁芯磁通门感应外界磁场强度的原理如下图。在磁芯外形、尺寸和电磁参数完全对称的情况下，激磁磁场在感应线圈中的感应电动势相互抵消。而由于环境磁场的存在，使磁芯磁

48、滞回线处于偏置场，使鼓励磁场引起的磁通量在正负半轴不对称，其感应电动势不抵消,将出现偶次谐波。偶次谐波中主要成分为二次谐波，它与被测磁场成正比，因此可用于检测环境磁场。 磁通门原理服从法拉第电磁感应定律。为了证明磁通门原理服从于法拉第电磁感应定律，以下述物理模型作为研讨对象。在一根磁芯上缠绕激磁线圈和感应线圈，磁芯由软磁资料制造，其横截面面积为S，磁导率为u，载流磁线圈在磁芯上建立的激磁磁场强度为H，感应线圈的有效匝数为W2。 在未认定S、u、H和W2中的任一参数为不变量、即非时间t的函数时，根据法拉第电磁感应定律，感应线圈上应产生的感应电势为：)(1028uHSWdtde 磁芯远离饱和任务形

49、状，其磁导率u近似常数，这个物理模型中的感应电势 只随激磁磁场强度变化。假设激磁磁场强度为：tfHHm12costfSHuWfem12sin102218那么 由于磁芯磁化曲线为非线性，激磁磁场瞬时值变化难免引起磁导率u随之而改动。所以，实践变压器效应数学模型为：8812121( )210( )sin210(cos2)mmdu tef u t W SHf tW SHf tdt激磁磁场瞬时值方向呈周期性变化；随之而变的磁芯磁导率 却无正负之分。所以 是偶函数。将 展为博里叶级数时，可得：)(tu)(tu.2cos8cos4cos)(1614120tfutfutfuutummmm1-81202124

50、146168113210()sin2sin62257sin10sin14.22mmmmmmmmmefW SHuuf tuuf tuuf tuuf t任何一个变压器总是处于环境磁场中的。所以，变压器磁芯的外加磁场除了激磁磁场以外，至少还有环境磁场。假设思索环境磁场实践施加在磁芯轴向的分量 时，上式变为：0H 0281281218)(102cos)(102sin)(102HSWdttdutfSHWdttdutfSHWtufeSm .)2sin68sin44sin2(102)(16141202180 tfutfutfuHSWfHemmm1上式末项为 引起的感应电势 的增量 0H e只需磁芯磁导率 随

51、激磁磁场强度而变，感应电势中就会出现随环境磁场强度而变的偶次谐波增量 u)(0He 当磁芯处于周期性过饱和任务形状时 将显著增大。显然，可以利用这种物理景象丈量环境磁场。)(0He 微型磁通门传感器系统显微照片微型磁通门传感器系统显微照片 磁通门微系统构造图磁通门微系统构造图 长轴状跑道形磁芯长轴状跑道形磁芯4132ff2跑道型磁芯机构表示图1 灵敏元件架；2初级线圈3输出线圈；4坡莫合金环 如下图，普通沿长轴方向的尺寸远大于短轴方向的尺寸，故当沿长轴方向磁化时，要比沿短轴方向磁化时的退磁作用及退磁系数小得多。这样，就可以以为跑道形磁芯仅被沿长轴方向的磁场所磁化。在实际中，也仅丈量沿长轴方向的

52、磁场分量。 L1L2LSH1=2HmsintH2=-2HmsintHHe-HsBm(a)b = tH2H1H =te1e2EdH=tBB1B2c图2.4-4 传感器测磁原理表示图B灵敏度极高：可达灵敏度极高：可达10-15T10-15T，比灵敏度较高的光泵式，比灵敏度较高的光泵式磁敏传感器要高出几个数量级；磁敏传感器要高出几个数量级；第三节第三节 SQUID SQUID磁敏传感器磁敏传感器SQUID磁敏传感器是一种新型的灵敏度极高的磁敏传感器，是以约瑟夫逊Jose Phson效应为实际根底，用超导资料制成的，在超导形状下检测外磁场变化的一种新型磁测安装。特点特点频带宽：呼应频率可从零呼应到几频

53、带宽：呼应频率可从零呼应到几kHzkHz。丈量范围宽：可从零场丈量到几丈量范围宽：可从零场丈量到几kTkT；n深部地球物理：用带有深部地球物理：用带有SQUID磁敏传感器的大地电磁磁敏传感器的大地电磁测深仪进展大地电磁测深，效果甚好。测深仪进展大地电磁测深，效果甚好。n在生物医学方面，运用在生物医学方面，运用SQUID磁测仪器可丈量心磁图、磁测仪器可丈量心磁图、脑磁图等，从而出现了神经磁学、脑磁学等新兴学科，脑磁图等，从而出现了神经磁学、脑磁学等新兴学科，为医学研讨开辟了新的领域。为医学研讨开辟了新的领域。n在固体物理、生物物理、宇宙空间的研讨中，在固体物理、生物物理、宇宙空间的研讨中，SQU

54、ID可用来丈量极微弱的磁场，如美国国家航空宇航局用可用来丈量极微弱的磁场，如美国国家航空宇航局用SQUID磁测仪器丈量了阿波罗飞行器带回的月球样品的磁测仪器丈量了阿波罗飞行器带回的月球样品的磁矩。磁矩。运用领域运用领域超导电性：在某一温度TC以下电阻值忽然消逝的景象。aT/K0T/K 00K0TCb电阻随温度变化曲线a、正常导体；b、超导体一、一、SQUIDSQUID磁敏传感器的根本原理磁敏传感器的根本原理超导体：具有超导电性的物体。临界温度(TC)：超导体从具有一定电阻值的正常态转变为电阻值忽然为零时所对应的温度,其值普通从3.4K至18K超导体特性：理想导电性；完全逆磁性；磁通量子化。SS

55、NNHHcbaaTTc H 0bTTC H 0cTTC H = 0 理想导电性实验1、理想导电性零电阻特性 假设将一超导环置于外磁场中，然后使其降温至临界温度以下，再撤掉外加磁场，此时发现超导环内有一感生电流I，超导环内无电阻耗费能量，此电流将永远维持下去 ，因无电阻。 ab迈斯纳效应表示图a正常态时，超导体内部磁场分布b在超导态时，超导体内部磁场分布2、完全逆磁性，迈斯纳(Meissner)效应， 或排磁效应 超导体不论在有无外磁场存在情况下，一旦进入超导形状，其内部磁场均为零，即磁场不能进入超导体内部而具有排磁性，亦称之为迈斯纳效应。 根据迈斯纳效应，把磁体放在超导盘上方，或在超导环上方放

56、一超导球时， 图(a)中超导盘和磁铁之间有排斥力，能把磁铁浮在超导盘的上面；图(b)中由于超导球有磁屏蔽作用，其结果可使超导球悬浮起来。这种景象称为磁悬浮景象。 N S 超导球磁导盘ab磁悬浮景象表示图 假定有一中空圆筒形超导体(如图)并 按以下步骤进展：(1)常态让磁场H穿过圆筒的中空部分。(2)超导态筒的中空部分有磁场。3、 磁通量子化感生电流H0 TTC冻结磁通表示图(3)超导态撤掉磁场H，圆筒的中空部分仍有磁场，并使磁场坚持不变。称为冻结磁通景象。超导圆筒在超导态时，中空部分的磁通量是量子化的，超导圆筒在超导态时，中空部分的磁通量是量子化的，并且只能取并且只能取00的整数倍，而不能取任

57、何别的值。的整数倍，而不能取任何别的值。Wbeh1501007. 22h普郎克常数，e 电子电量，0磁通量量子，磁通量自然单位中空部分经过的总磁通量01n 该图是两块超导体中间隔着一厚度仅1030的绝缘介质层而构成的 “超导体绝缘层超导体的构造，通常称这种构造为超导隧道结，也称约瑟夫逊结。中间的薄层区域称为结区。这种超导隧道结具有特殊而有用的性质。 超导电子能经过绝缘介质层，表现为电流可以无阻挠地流过，阐明夹在两超导体之间的绝缘层很薄且具有超导性。约瑟夫逊结可以经过很小超导电流的景象，称为超导隧道结的约瑟夫逊效应，也称直流约瑟夫逊效应。超导结在直流电压作用下可产生交变电流，从而辐射和吸收电磁波

58、。这种特性称为交流约瑟夫逊效应。 绝缘层 超导体超导体超导结表示图4、约瑟夫逊效应 直流约瑟夫逊效应阐明，超导隧道结的介质层具有超导体的一些性质，但不能以为它是临界电流很小的超导体，它还有普通超导体所没有的性质。 实验证明，当结区两端加上直流电压时，结区会出现高频的正弦电流，其频率正比于所加的直流电压，即 f = KV式中 K=2e/h=483.61012Hz/V。根据电动力学实际高频电流会从结区向外辐射电磁波。可见，超导隧道结在直流电压作用下，产生交变电流，可见，超导隧道结在直流电压作用下，产生交变电流，辐射和吸收电磁波，这种特性即交流约瑟夫逊效应。辐射和吸收电磁波，这种特性即交流约瑟夫逊效应。 约瑟夫逊的直流效应受着磁场的影响。而临界电流IC对磁场亦很敏感，即随着磁场的加大临界电流IC逐渐变小，如下图。 超导结的Ic-H曲线01234562010H=0Ic5、ICH 特性根据量子力学实际，超导结允许经过的最大超导电流Imax与的关系式沿介质层及其两侧超导体边缘透入超导结的磁通量；0磁通量子；IC(0)没有外磁场作用时，超导结的临界电流。00sin)0()(CCIIIC是的周期函数=1*0 超导结临界电流随外加磁场而周期起伏变化的原理,完全可用于丈量磁场中。例如,假设在超导结的